机电系统设计理论与方法-Chapter01汇编

1、1机电专业研究生课程刘今越刘今越河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院2014.9机电系统设计理论与方法机电系统设计理论与方法机械电子工程系机械电子工程系机电研究生课程2机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT教材教材参考教材：参考教材：机电一体化系统设计（英文版），机电一体化系统设计（英文版），/ /（美）谢提（美）谢提（ShettyShetty. D.). D.)等著。等著。 机械工业出版社。机械工业出版社。机电一体化系统设计，机电

2、一体化系统设计，/ /（美）谢提（美）谢提（ShettyShetty. . D.)D.)等著等著; ; 张树生等译，张树生等译， 机械工业出版社。机械工业出版社。 参考书目：参考书目：机电一体化系统设计，张建民，北京理工大学出机电一体化系统设计，张建民，北京理工大学出版社。版社。机电产品开发设计与制造技术标准实用手册，刘机电产品开发设计与制造技术标准实用手册，刘力，力， 世图音像电子出版社。世图音像电子出版社。3机设专业本科生课程第一章第一章 机电一体化系统设计机电一体化系统设计1.1 什么是机电一体化？什么是机电一体化？ 1.2 机电一体化集成设计问题机电一体化集成设计问题1.3 机电一体化

3、关键要素机电一体化关键要素1.4 机电一体化设计过程机电一体化设计过程1.5 机电一体化中的高级方法机电一体化中的高级方法1.6 小结小结机电研究生课程4机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT概念：是概念：是微电子技术微电子技术向向机械工业机械工业渗透过程中渗透过程中逐渐形成逐渐形成的一个新概念。的一个新概念。是精密机械技术、微电子技术和信息技术等各种相关技术有机结合的一是精密机械技术、微电子技术和信息技术等各种相关技术有机结合的一种新形式。种新

4、形式。MechatronicsMechatronics由由MechaMechanicsnics和和ElecElectronicstronics组合而成。组合而成。（机械电子学）（机械电子学）日本日本“机械振兴协会经济研究所机械振兴协会经济研究所”提出的解释：提出的解释：在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术。并将机械装置和电子装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。 可以说机电一体化技术是机械技可以说机电一体化技术是机械技术、微电子技术及信息技术术、微电子技术及信息技术相互相互交叉融合交叉融合的产物。的产物。1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（Mechat

5、ronicsMechatronics) )？机电研究生课程5机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT机电一体化技术机电一体化技术具有技术和产品两方面内容具有技术和产品两方面内容 技术方面：技术方面：包括使机电一体化系统得以实现、使用和发展的技术技术。产品方面：产品方面：机械系统与微电子系统（部件和软件）相互置换或有机结合而构成的新系统。且赋予其新的功能和性能的新一代产品新一代产品。实例：数控机床电主轴。以电气执行元件替代传统的机械传动机构；其本身也

6、体现了机电融为一体的有机结合，从而具有新的性能。机电一体化技术融机械、电子、信息、控制等多种技术为一体，打破机电一体化技术融机械、电子、信息、控制等多种技术为一体，打破旧的各学科的分类，是旧的各学科的分类，是从系统角度从系统角度分析与解决问题的一门新兴的分析与解决问题的一门新兴的交叉交叉学科学科。 1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？机电研究生课程6机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA),

7、 HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？系统的目的功能系统的目的功能 系统的目的功能：系统的目的功能：满足人们使用要求的功能。使用要求：使用要求：要能对输入的物质、能量和信息（工业三大要素）进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。要用系统科学的方法设计。要用系统科学的方法设计。1978年，钱学森就曾指出：“系统科学是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法”。 机电研究生课程7机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Re

8、search Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？机电一体化是一种用于机电产品最优设计的方法学机电一体化是一种用于机电产品最优设计的方法学方法学（方法学（Methodology)Methodology)是从事某个知识领域的特定分支或学科的专业人员是从事某个知识领域的特定分支或学科的专业人员所运用的实践、程序和规则的一个集合。所运用的实践、程序和规则的一个集合。多学科系统（多学科系统（Multi-disciplinaryMult

9、i-disciplinary）例如机电系统（例如机电系统（electromechanical electromechanical system)system)，使用按学科顺序设计的方法。使用按学科顺序设计的方法。机电一体化（机电一体化（MechatronicsMechatronics) )系统是多学科的系统是多学科的电气、机械、计算机和信息技电气、机械、计算机和信息技术。并行的学科设计方法。术。并行的学科设计方法。 F-22战斗机（洛克希德和波音研制）是机电一体化技术应用的一个实例。战斗机（洛克希德和波音研制）是机电一体化技术应用的一个实例。机电一体化系统和多学科系统之间的区别机电一体化系统和

10、多学科系统之间的区别：不在于他们的构成要素，而是对：不在于他们的构成要素，而是对这些要素设计的次序。这些要素设计的次序。 例如机电系统设计：机械设计例如机电系统设计：机械设计电源和微电子系统设计电源和微电子系统设计控制算法控制算法 按学科顺序设计的缺点：对各个点的固定设计导致新的限制，沿学科传按学科顺序设计的缺点：对各个点的固定设计导致新的限制，沿学科传递。递。机电研究生课程8机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化

11、（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？“设计并制造机械系统。然后叫来油漆匠进行油设计并制造机械系统。然后叫来油漆匠进行油漆，叫来控制系统工程师安装控制器。漆，叫来控制系统工程师安装控制器。”控制器的设计常常因为这些控制器的设计常常因为这些附加的限制附加的限制而失败。而失败。比如，比如，降低成本降低成本在许多系统中是一个主要的因素。在许多系统中是一个主要的因素。在机械和电气设计阶段的折中往往会涉及传感器和在机械和电气设计阶段的折中往往会涉及传感器和执行器。减少传感器和执行器的数目以及使用低精执行器。减少传感器和执行器的数目以及使用低精度传感器和低能耗执行器是

12、一些节约成本的标准方度传感器和低能耗执行器是一些节约成本的标准方法。这些影响对控制系统是附加的，有时会法。这些影响对控制系统是附加的，有时会带来冲带来冲突性限制突性限制。机电研究生课程9机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？机电一体化系统设计方法论基于一种机电一体化系统设计方法论基于一种并行而不是串并行而不是串行行的学科设计，导致产品更具协

13、同性。的学科设计，导致产品更具协同性。- -SynergySynergy是系统工程学方法的延伸，但是它是系统工程学方法的延伸，但是它补充了信息系统以补充了信息系统以指导设计指导设计。在将机械、电气及计算机系统和信息系统进行集成以在将机械、电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计和制造产品过程时，需要进行设计和制造产品过程时，需要进行协同协同。这种协同是通过这种协同是通过合理组合参数合理组合参数实现的，也就是说，最实现的，也就是说，最终产品的功能应大于各部件功能之和。终产品的功能应大于各部件功能之和。一般工程问题的研究方法一般工程问题的研究方法: :物理对象物理对象-物理模型物理模型数数学模型学

14、模型求解。求解。机电研究生课程10机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？机电一体化的组成机电一体化的组成机电研究生课程11机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化

15、（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？机电一体化系统关键要素机电一体化系统关键要素 有些文献讲虚线框中内容称为机电系统有些文献讲虚线框中内容称为机电系统机电研究生课程12机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是机电一体化（什么是机电一体化（MechatronicsMechatronics) )？机电一体化系统不是一个机电系统，而更象一个控制系统机电一体化系统不是一个机电系统，而更象一个控制

16、系统机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统见图机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统见图虚线框。虚线框。定义定义未统一未统一较能为大多数人所接受的涵义是日本较能为大多数人所接受的涵义是日本“机械振兴协会经济研究所机械振兴协会经济研究所”于于19811981年提出的解释：年提出的解释：“机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。关软件有机结合而构成系统的总称。”机电一体化是

17、微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念。是融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术于一体的新概念。是融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术于一体的一门新型的交叉学科。一门新型的交叉学科。 机电一体化技术越来越深入机电一体化技术越来越深入, ,越来越广泛越来越广泛. .机电研究生课程13机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.2 1.2 机电一体化集成设计问题机电一

18、体化集成设计问题机电一体化方法的并行性非常依赖建模和仿真机电一体化方法的并行性非常依赖建模和仿真模型将由来自多学科的模型将由来自多学科的 工程师们使用和修改。工程师们使用和修改。需要一个可视化的编程环境，这个环境应该包括框图、流程图、状态转需要一个可视化的编程环境，这个环境应该包括框图、流程图、状态转换图和波德图等。换图和波德图等。常用的建模仿真软件：常用的建模仿真软件：Matrix, Easy5,Matrix, Easy5, SimulinkSimulink（MatlabMatlab中中) ), , VisSimVisSim, , LabVIEWLabVIEW支持并行工程的概念支持并行工程的

19、概念有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。观点：观点：制造阶段的高额成本源于产品设计阶段制造阶段的高额成本源于产品设计阶段。并行工程观点并行工程观点适合于团队的项目管理适合于团队的项目管理。如果机电一体化产品可以有效地如果机电一体化产品可以有效地整合并行工程整合并行工程的管理思想，所能达到的的管理思想，所能达到的效果将是令人振奋的。效果将是令人振奋的。机电研究生课程14机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA)

20、, HEBUT1.2 1.2 机电一体化集成设计问题机电一体化集成设计问题必须解决的共性关键技术： 精密机械技术精密机械技术 伺服驱动技术伺服驱动技术 检测传感技术检测传感技术 信息处理技术信息处理技术 自动控制技术自动控制技术 系统总体技术系统总体技术机电研究生课程15机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1 1）检测传感技术：）检测传感技术：涉及机电一体化系统的检测传感元件。涉及机电一体化系统的检测传感元件。检测对象：检测对象：温度、流量、压

21、力、位移、速度、加速度、力和温度、流量、压力、位移、速度、加速度、力和力矩等力矩等物理量物理量及物品的及物品的几何参数几何参数等。等。检测精度直接影响机电一体化产品的性能好坏。检测精度直接影响机电一体化产品的性能好坏。工作原理涉及工作原理涉及机、光、电、磁、声机、光、电、磁、声等各种技术。等各种技术。2 2）信息处理技术：）信息处理技术：包括信息的包括信息的输入、变换、运算、存储和输出输入、变换、运算、存储和输出技术。技术。涉及硬件：涉及硬件：输入输入/ /输出设备、显示器、磁盘、计算机、输出设备、显示器、磁盘、计算机、PLCPLC和和数控装置等。处理是否及时直接影响机电一体化产品的质量、数控

22、装置等。处理是否及时直接影响机电一体化产品的质量、效率。效率。存在问题：存在问题：减轻重量、提高处理速度、提高可靠性、抗干扰、减轻重量、提高处理速度、提高可靠性、抗干扰、标准化、提高操作性及便于保养等。标准化、提高操作性及便于保养等。 1.2 1.2 机电一体化集成设计问题机电一体化集成设计问题机电研究生课程16机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT3 3）自动控制技术）自动控制技术包括：高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校包括：高精

23、度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等。正、补偿、再现、检索等。技术难点：技术难点：现代控制理论的工程化与实用化以及优化控制模型现代控制理论的工程化与实用化以及优化控制模型的建立等。的建立等。 4 4）伺服驱动技术）伺服驱动技术包含执行件的一些技术问题。（动力性能、精度、速度等）包含执行件的一些技术问题。（动力性能、精度、速度等）要求：要求：精度更高、可靠性更好、响应速度更快精度更高、可靠性更好、响应速度更快。气动和液压系统中都存在提高性能、可靠性、标准化、减重、气动和液压系统中都存在提高性能、可靠性、标准化、减重、小型化等方面的问题。小型化等方面的问题。希望执行元

24、件满足希望执行元件满足小型、重量轻、功率大小型、重量轻、功率大三个方面的要求，以三个方面的要求，以及提高其对环境的适应性和可靠性。及提高其对环境的适应性和可靠性。 1.2 1.2 机电一体化集成设计问题机电一体化集成设计问题机电研究生课程17机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT5 5）精密机械技术）精密机械技术对精密机械提出的要求：对精密机械提出的要求：减轻重量、缩小体积、提高精度、减轻重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善动态性提高刚度、改

25、善动态性能等。另外还有能等。另外还有模块化、标准化、规格模块化、标准化、规格化、和便于维修化、和便于维修。6 6）系统的总体技术）系统的总体技术是一种从整体目标出发，用是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法系统的观点和方法，将总体分解，将总体分解为若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案。再把功能为若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案。再把功能与技术方案组合成方案进行分析、评价和优选的综合应用技术。与技术方案组合成方案进行分析、评价和优选的综合应用技术。即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好的协调，系统与产品也很难保

26、证正常运行。好的协调，系统与产品也很难保证正常运行。包括的技术：包括的技术：如如接插件、接口转换、软件开发、微机应用、接插件、接口转换、软件开发、微机应用、控制系统的成套性和成套设备自动化技术等。控制系统的成套性和成套设备自动化技术等。 1.2 1.2 机电一体化集成设计问题机电一体化集成设计问题机电研究生课程18机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素机电一体化关键要素机电研究生课程19机电系统工程设计方法机电系

27、统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素之一机电一体化关键要素之一信息系统信息系统信息系统内容信息系统内容包括信号处理，控制系统，分析技术包括信号处理，控制系统，分析技术相关学科：通讯系统，信号处理，控制系统，数值计相关学科：通讯系统，信号处理，控制系统，数值计算算机电一体化应用中：建模，仿真，自动控制，用于优机电一体化应用中：建模，仿真，自动控制，用于优化的数字方法化的数字方法机电研究生课程20机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&a

28、mp;建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素之一机电一体化关键要素之一信息系统信息系统建模和仿真建模和仿真建模建模是用一个数学方程和逻辑的集合来描述真实是用一个数学方程和逻辑的集合来描述真实系统行为的过程。系统行为的过程。静态模型静态模型静态系统的模型。不存在能量的传递，静态系统的模型。不存在能量的传递，不产生运动，没有热量传递，没有流体流动，没有传不产生运动，没有热量传递，没有流体流动，没有传播的波，任何会改变的东西都不存在播的波，任何会改变的东西都不存在动态

29、模型动态模型有能量传递从而引起功率通量。有能量传递从而引起功率通量。仿真仿真是在计算机上获得模型解的过程。是在计算机上获得模型解的过程。机电研究生课程21机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素之一机电一体化关键要素之一信息系统信息系统自动控制自动控制机电一体化系统看上去只不过是控制系统工程学。它机电一体化系统看上去只不过是控制系统工程学。它们有何区别？们有何区别？ 区别就在于设计步骤的顺序。机电控制应用中首先建立

30、的是区别就在于设计步骤的顺序。机电控制应用中首先建立的是机械系统，然后才是向控制系统提出要求和约束。而机电一机械系统，然后才是向控制系统提出要求和约束。而机电一体化系统是并行设计。体化系统是并行设计。自动控制基本概念（略，见控制工程基础）自动控制基本概念（略，见控制工程基础）机电研究生课程22机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素之一机电一体化关键要素之一机械系统机械系统 牛顿力学是大多数机械系统的基础，包含牛顿

31、力学是大多数机械系统的基础，包含3 3个独立的绝对概念：空间，个独立的绝对概念：空间，时间和质量时间和质量 对于涉及高速运动粒子的系统，牛顿力学不适用，要用相对论力学。对于涉及高速运动粒子的系统，牛顿力学不适用，要用相对论力学。在这样的系统中，上述的在这样的系统中，上述的3 3个概念就不再独立（粒子的质量是其速度的个概念就不再独立（粒子的质量是其速度的函数）函数） 大多机电一体化系统涉及刚体力学，依赖大多机电一体化系统涉及刚体力学，依赖6 6个基本定律：个基本定律：牛顿第一定律牛顿第一定律牛顿第二定律牛顿第二定律牛顿第三定律牛顿第三定律牛顿万有引力定律牛顿万有引力定律力叠加的平行四边形法则力叠

32、加的平行四边形法则传递原理传递原理机电研究生课程23机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素之一机电一体化关键要素之一电气系统电气系统电气系统关注电气系统关注3 3个基本量的特征：个基本量的特征：电荷，电流和电压电荷，电流和电压电气系统两个分支：电气系统两个分支：电源系统（强电，能量传递），通信电源系统（强电，能量传递），通信系统（弱电，电子学）系统（弱电，电子学）交直流电路分析交直流电路分析基尔霍夫电流定律基尔霍

33、夫电流定律基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律功率功率瞬时功率瞬时功率时间平均功率时间平均功率半导体器件（二极管，晶体管）半导体器件（二极管，晶体管）机电研究生课程24机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 机电一体化关键要素机电一体化关键要素计算机系统计算机系统数字逻辑电路（见微型计算机原理）数字逻辑电路（见微型计算机原理）传感器执行器系统传感器执行器系统检测、驱动（电液气）检测、驱动（电液气）实时接口实时接口A/D,D/AA/D,D/A频率变换频率变换机电研究生课程25机电系统工程设计方法机电系统工程设计方法&建模与仿真建模与仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT五个子系统： 机械系统(机构)； 电子信息处理系统(计算机)； 动力系统(动力源)； 传感检测系统(传感器)； 执行元件系统(如电动机)。 全闭环系统：传感器直接检测目标运动并进行反馈控制。1.3 1.3 机电一体化关键要素机电一体化关键要素机电研究生课程26机电系统工程